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Die Erfindung betrifft einen Ölhobel sowie einen Verbrennungsmotor mit einem Ölhobel.
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Bekannte Verbrennungsmotoren umfassen ein Motorgehäuse sowie eine in dem Motorgehäuse drehbar gelagerte Kurbelwelle zur Betätigung von ein oder mehreren in Zylindern geführten Hubkolben. Bei den meisten Motoren ist unterhalb der Kurbelwelle eine Ölwanne angeordnet, um Öl aufzunehmen, das aus dem Zylinderblock, der Kurbelwelle, den Lagern oder an sonstigen Stellen innerhalb des Motorgehäuses austritt. Die rotierende Bewegung der Kurbelwelle hat zur Folge, dass Luft mit dieser rotiert und umgewälzt wird. Die umgewälzte Luft kann als Kurbelwellenventilation bezeichnet werden. Aufgrund der Kurbelwellenventilation wird ein Teil des Öls, der ohne die Kurbelwellenventilation in die Ölwanne ablaufen würde, von der Kurbelwellenventilation mitgerissen. Um den Einfluss der Kurbelwellenventilation auf das bereits in die Ölwanne abgelaufene Öl zu minimieren, werden bei vielen Verbrennungsmotoren Ölablenkeinrichtungen zwischen Ölwanne und Kurbelwelle eingesetzt. Diese welche häufig als Ölhobel bezeichnet werden.
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DE 10 2005 027 472 A1 beschreibt einen mehrfach geschlitzten, wannenförmig ausgebildeten Ölhobel mit einer speziellen Befestigungsvorrichtung.
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Aus
DE 10 2005 057 258 A1 ist eine Lagerbrücke bekannt, durch welche die Montage und Wartung Zylinderkurbelgehäuses vereinfacht und das Zylinderkurbelgehäuse wesentlich versteift werden soll. Dazu soll die untere Kurbelwellenlagerung als Lagerbrücke ausgeführt werden, die von dem Gehäuseoberteil und dem Gehäuseunterteil vollständig umschlossen ist. In der Lagerbrücke können Durchgänge für Schmiermittel vorgesehen sein, die dazu dienen sollen, an den Wangen der Kurbelwelle anhaftendes Schmiermittel bei der Rotation der Kurbelwelle abzustreifen. Die Durchgänge sollen folglich das an der Kurbelwelle anhaftende Schmiermittel lösen und aus dem Kurbelraum in Richtung Ölwanne befördern.
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Aus
DE 10 2008 060 412 A1 ist ein Verbrennungsmotor mit einem wannenartig ausgebildeten Ölhobel bekannt, welcher an die Kontur von Lagerböcken angepasst ist. Mit diesem Ölhobel sollen Reibungsverluste reduziert werden. Dazu weist der Ölhobel Schlitze für das Abführen von Öl in Richtung Ölwanne sowie diesen Schlitzen nachgeordnete Rückführöffnungen. Durch die Rückführöffnungen sollen ölnebelfreie oder zumindest ölnebelreduzierte Gase zurückströmen können. Der in
DE 10 2008 060 412 A1 beschriebene Ölhobel dient daher ebenfalls dazu, die zur Ölwanne geförderte Ölmenge zu erhöhen.
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Die
JP H04 - 134 172 A offenbart einen Zylinderblock-Verstärkungsstruktur für einen Viertaktmotor.
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Die
DE 102 16 868 A1 offenbart einen Ölabweiser zur Befestigung in einem Kurbelgehäuse mit Ölrückläufen.
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Die
DE 38 05 389 C2 offenbart ein Kurbelgehäuse für eine im Viertakt arbeitende Mehrzylinder-Reihenbrennkraftmaschine.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ölhobel sowie einen Verbrennungsmotor mit einem Ölhobel zur Verfügung zu stellen, mit welchem eine Verbesserung der Kolbenkühlung erzielbar ist.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 7 bzw. 8 bzw. 10.
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Ein erfindungsgemäßer Ölhobel ist für die Verwendung in einem Verbrennungsmotor mit mindestens zwei Hubkolbenzylindern und mindestens einer Kurbelwelle vorgesehen. Er umfasst auf der der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors zugewandten Seite senkrecht zur Drehachse der Kurbelwelle verlaufende Trennstege. Die Trennstege sind derart angeordnet, dass für jeden Zylinder ein durch die Trennstege separierter Kurbelraum gebildet ist. Unter einem flächigen Element wird ein Element verstanden, dessen Höhe wesentlich kleiner ist als dessen Länge und dessen Breite. Ein erfindungsgemäßer Ölhobel hat den Vorteil, dass die Kurbelwellenventilation für jeden Zylinder im Bereich zwischen zwei Trennstegen von der Kurbelwellenventilation der übrigen Bereiche der Kurbelwelle separiert ist. Dadurch können sich in diesen Abschnitten des Ölhobels laminare Strömungen bilden. Die laminaren Strömungen wiederum ermöglichen es, Öl mit Hilfe der Kurbelwellenventilation nicht nur durch Schlitze im Ölhobel in Richtung Ölwanne, sondern auch in Richtung der Zylinder nach oben zu fördern. Dadurch können die unteren Zylinderwandungen und die in diesen geführten Kolben besser gekühlt werden. Ferner ist in jedem Kurbelraum ein parallel zur Drehachse der Kurbelwelle verlaufender Schlitz angeordnet, wobei die Schlitze von der Mittelachse des Ölhobels in Drehrichtung der Kurbelwelle versetzt angeordnet sind, und wobei die Schlitze entlang einer Richtung parallel zu der Mittelachse des Ölhobels abwechselnd auf einer ersten Raumachse oder einer zweiten Raumachse ausgebildet sind, wobei die erste Raumachse und die zweite Raumachse jeweils parallel zur Mittelachse des Ölhobels sind und in Drehrichtung der Kurbelwelle unterschiedlich versetzt sind.
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Bei dem erfindungsgemäßen Ölhobel ist in jedem Kurbelraum ein Schlitz angeordnet. Die Schlitze verlaufen parallel zur Drehachse der Kurbelwelle. Dies begünstigt die Ausbildung einer laminaren Strömung, da der durch den Schlitz verursachte Strömungswiderstand senkrecht zur Drehrichtung der Kurbelwelle angeordnet ist. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform erstrecken sich die Schlitze über die gesamte Breite des jeweiligen Kurbelraums. Dies verursacht in Drehrichtung der Kurbelwelle nach dem Schlitz die geringsten Turbulenzen und reduziert die Reibungsverluste.
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Die Reibungsverluste können weiter reduziert werden, wenn der Schlitz ausgehend von der Mittelebene (parallel zur Drehachse der Kurbelwelle) des Ölhobels in Drehrichtung der Kurbelwelle versetzt angeordnet ist. Vorzugsweise ist der Schlitz in einem sich von der Mittelachse in Drehrichtung der Kurbelwelle erstreckenden Bereich angeordnet, dessen Breite von der Mittelachse bevorzugt 50 %, besonders bevorzugt 30 %, der maximalen Breite des Flächenelements beträgt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ölhobels weisen das flächige Element bzw. die Trennstege mindestens eine, vorzugsweise alle nachfolgenden Anpassungen auf:
- a) Die Breite der Trennstege ist an die sich oberhalb der Trennstege anschließenden Lagerböcke des Motors angepasst,
- b) die Kontur der Trennstege ist auf der der Kurbelwelle zugewandten Seite an ein, vorzugsweise an alle angrenzenden Elemente des Verbrennungsmotors angepasst,
- c) die Trennstege sind in ihrer Breite an das Motorgehäuse angepasst,
- d) das flächige Element ist in seiner Breite an das Motorgehäuse angepasst,
- e) das flächige Element ist in seiner Länge an die Länge der Kurbelwelle angepasst.
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Alle vorstehenden Anpassungen bewirken, dass ein axialer Austausch von Ölnebel und/oder Gas unterhalb der Kurbelwellenmitte aufgrund der Trennstege unterbunden wird. Dies begünstigt eine laminare Strömung in den durch die Trennstege separierten Kurbelräumen und erhöht die Menge des durch die Kurbelwellenventilation in Richtung Zylinder geförderten Öls. Dadurch werden die Kolben von ihrer Unterseite gekühlt und die Temperatur der Kolben abgesenkt.
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Abhängig von der Größe des Verbrennungsmotors und der verwendeten Werkstoffe ist es vorteilhaft, einen Abstand von dem flächigen Element des Ölhobels (Boden des Ölhobels) zum tiefsten Punkt der sogenannten Pleuelgeige zwischen 0 mm und 15 mm zu wählen, wobei der Abstand stets etwas größer als 0 mm sein sollte. Dieser Abstand kann auch als Freigang zwischen dem Boden des Ölhobels und der Pleuelgeige bezeichnet werden. Unter Pleuelgeige wird die Kontur verstanden, welche Kurbelwelle und Pleuel bei einer vollständigen Umdrehung beschreiben. Der Freigang ist daher der Abstand zwischen dem nächst kommenden Punkt der Kurbelwelle bzw. des Pleuels während einer Umdrehung der Kurbelwelle und dem Boden des Ölhobels. Bei der Dimensionierung des Ölhobels ist zu beachten, dass die dem Ölhobel sehr nahe kommenden Elemente des Verbrennungsmotors häufig Gussteile sind. In diesem Fall ist es vorteilhaft, eine Gusstoleranz einzuplanen, um teure und aufwändige Nachbearbeitungen der Gussteile und/des Ölhobels zu vermeiden. Ein bevorzugter Abstandsbereich zwischen Ölhobel und Pleuelgeige liegt zwischen 2 mm und 10 mm, ein besonders bevorzugter Abstandsbereich zwischen 4 mm und 8 mm.
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Wenn das flächige Element des erfindungsgemäßen Ölhobels ein oder mehrere seitlich hervorstehende Befestigungslaschen aufweist, kann der Ölhobel besonders einfach und kostengünstig in einem Verbrennungsmotor montiert werden. Beispielsweise kann der Ölhobel dann über in den Laschen vorgesehene Durchgangsöffnungen mit dem Motorgehäuse verschraubt oder über die flächigen Befestigungslaschen zwischen Ölwanne und dem mit dieser verschraubten Teil des Motorgehäuses eingeklemmt werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Befestigungslaschen auf gegenüberliegenden Seiten des flächigen Elements vorgesehen sind.
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Wenn der erfindungsgemäße Ölhobel in seiner Form an alle angrenzenden Elemente des Verbrennungsmotors angepasst ist, weist dieser eine komplexe Geometrie auf. Er ist in diesem Fall besonders kostengünstig und einfach einstückig herstellbar, wenn er aus Kunststoff hergestellt wird.
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Die Erfindung betrifft auch einen Verbrennungsmotor mit einem Motorgehäuse, einer in dem Motorgehäuse drehbar gelagerten Kurbelwelle zur Betätigung von mindestens zwei Hubkolbenzylindern, einer unterhalb der Kurbelwelle angeordneten Ölwanne sowie einem unterhalb der Kurbelwelle angeordneten erfindungsgemäßen Ölhobel. Auf die im Zusammenhang mit dem Ölhobel beschriebenen Vorteile wird hiermit noch einmal verwiesen.
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Vorzugsweise sind die Position und das Spaltmaß des Schlitzes des in dem Verbrennungsmotor angeordneten Ölhobels so dimensioniert, dass sich - insbesondere bei hohen Drehzahlen des Motors - mindestens in Teilbereichen der Kurbelräume eine überwiegend laminare Strömung in Drehrichtung der Kurbelwelle einstellt. Position und Spaltmaß können in einer dem Fachmann geläufigen Art und Weise experimentell bestimmt werden. Beispielsweise können dazu mehrere Versuche mit Parametervariationen durchgeführt und iterativ vorteilhafte Parameterkombinationen für einzelne Motoren ermittelt werden. Es versteht sich, dass die Parameterkombinationen insbesondere in Abhängigkeit von Bauart, Größe und Geometrie des Verbrennungsmotors variieren.
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Der Ölhobel kann besonders einfach ohne insbesondere ohne zusätzliche Befestigungsmittel in dem Verbrennungsmotor fixiert werden, wenn er zwischen der Ölwanne und einem Teil des Motorgehäuses angeordnet ist. Er kann dazu beispielsweise mit der Ölwanne verschraubt oder zwischen Ölwanne und einem Gehäuseteil eingeklemmt sein.
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Weitere Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1 einen erfindungsgemäßen Ölhobel in einer perspektivischen Ansicht,
- 2 einen Verbrennungsmotor mit dem in 1 gezeigten erfindungsgemäßen Ölhobel in einem Querschnitt,
- 3 den in 2 gezeigten Verbrennungsmotor in einem Längsschnitt sowie
- 4 ein Drehzahl-Temperatur-Diagramm von Versuchen mit dem in den 2 und 3 dargestellten erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor und dem gleichen Verbrennungsmotor mit einem aus dem Stand der Technik bekannten, für diesen Verbrennungsmotor bisher verwendeten Ölhobel.
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Der in 1 dargestellte Ölhobel 10 besteht im Wesentlichen aus einem flächigen Element 12 sowie sieben Trennstegen 14, welche sechs verschiedene Kurbelräume 16 seitlich voneinander separieren. Das flächige Element 12 kann auch als Boden 12 des Ölhobels 10 bezeichnet werden.
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In jedem Kurbelraum 16 ist ein Schlitz 18 vorgesehen, welcher sich über die gesamte Breite des jeweiligen Kurbelraums 16 erstreckt und parallel zur Mittelachse 20 angeordnet ist. Die Mittelachse 20 verläuft parallel zur Drehachse der Kurbelwelle 22 des in den 2 und 3 gezeigten Verbrennungsmotors 24. In dem in den 2 und 3 gezeigten Verbrennungsmotor ist der in 1 gezeigte erfindungsgemäße Ölhobel 10 eingesetzt.
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Der in den 2 und 3 gezeigte Verbrennungsmotor 24 umfasst insgesamt sechs Hubkolbenzylinder 26 (nachfolgend auch Zylinder genannt), von denen in 3 lediglich drei zu sehen sind. Dies liegt darin begründet, dass es bei dem gezeigten Motor sich nicht um einen Reihenmotor, sondern um einen sogenannten VR6-Motor handelt, bei welchem nur je drei Zylinder 26 in einer Ebene liegen. In den Zylindern 26 sind Kolben 28 geführt, welche über eine Kurbelwelle 30 und Pleuelstangen 32 in bekannter Art und Weise angetrieben werden.
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Die Kurbelwelle 30 rotiert in der gemäß Pfeil 34 dargestellten Richtung. Dadurch tritt in den einzelnen Kurbelräumen 16 die vorstehend beschriebene Kurbelwellenventilation auf. Dabei bilden sich in den einzelnen Kurbelräumen 16 im Bereich unterhalb der Kurbelwellenmitte (Rotationsachse 22 der Kurbelwelle 30) überwiegend laminare Strömungen aus, welche im unteren Bereich des Ölhobels 10 unabhängig von den Strömungen der übrigen Kurbelräume 16 sind, da ein axialer Austausch von Ölnebel und/oder Gas in diesen Bereichen durch die Trennstege 14 unterbunden wird.
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Wie in den 1 und 2 zu erkennen ist, sind die Schlitze 18 von der Mittelachse des Ölhobels 20 in Drehrichtung der Kurbelwelle 30 versetzt angeordnet. Nichtsdestotrotz wurde ein gewisser Abstand zwischen dem Schlitz 18 und der Ölwanne 36 eingehalten, welche in 2 lediglich angedeutet ist.
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Die Kontur der Trennstege 14 auf der der Kurbelwelle 30 zugewandten Seite des Ölhobels 10 ist an die angrenzenden Elemente des Verbrennungsmotors 24 angepasst. Dies gilt insbesondere für die sogenannte Pleuelgeige, die Schrauben 38 zur Befestigung der in den Figuren nicht dargestellten Lagerböcke und die Breite des flächigen Elements 12, das an die Breite des Motorgehäuses 44 angepasst ist.
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Wie in 2 gezeigt, sind sowohl die Trennstege 14 als auch das flächige Element 12 in ihrer Breite an das Gehäuse des Verbrennungsmotors 24 angepasst. In 3 ist ferner zu sehen, dass das flächige Element 12 des Ölhobels 10 in seiner Länge im Wesentlichen an die Länge der Kurbelwelle 30 (ausgenommen sind die seitlichen Kurbelwellenlager) angepasst ist. Das flächige Element 12 erstreckt sich über den gesamten Bereich der Kurbelwelle 30, welcher sich unterhalb der Zylinder 26 befindet. In der in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors beträgt der Abstand des Bodens des Ölhobels zu den benachbarten Elementen des Verbrennungsmotors 24 auf der der Kurbelwelle 30 zugewandten Seite des Ölhobels 10 4 mm.
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Zur Fixierung in einem Verbrennungsmotor 24 weist das flächige Element 12 des Ölhobels 10 seitlich hervorstehende Befestigungslaschen 40 auf. Diese können wie in 1 gezeigt zusätzlich Durchgangsöffnungen 42 aufweisen, mittels welchen der Ölhobel 10 mit dem Verbrennungsmotor 24 verschraubt werden kann. Alternativ kann auf Durchgangsöffnungen 42 verzichtet und der Ölhobel 10 mit Hilfe der Befestigungslaschen 40 beispielsweise zwischen der Ölwanne 36 und dem Motorgehäuse 44 eingeklemmt werden.
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Der in den 1 bis 3 gezeigte Ölhobel 10 ist einstückig aus Kunststoff, beispielsweise aus PA6, hergestellt. Um die Stabilität des Ölhobels 10 zu erhöhen, kann der Kunststoff glasfaserverstärkt werden.
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Das in 4 gezeigte Diagramm veranschaulicht den Nutzen der Erfindung. Es zeigt Temperaturlinien 50, 52 eines Verbrennungsmotors mit einem aus dem Stand der Technik bekannten Ölhobel im Vergleich mit einem baugleichen Verbrennungsmotor, der mit einem erfindungsgemäßen Ölhobel 10 ausgestattet ist. Auf der x-Achse ist die Drehzahl aufgetragen, auf der y-Achse die zur jeweiligen Drehzahl ermittelt Temperatur an verschiedenen Stellen innerhalb der Motoren.
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Die Temperaturlinien 50 wurden an Stellen innerhalb des Motors ermittelt, an denen typischerweise die höchsten Temperaturen auftreten (insbesondere an den Kolben). Der schraffierte Temperaturbereich 54 ab 300 °C kann insbesondere bei Dauerbelastung kritisch für einige Elemente der Verbrennungsmotoren sein. Mit Bezugszeichen 56 ist die Temperaturspanne des Verbrennungsmotors mit dem aus dem Stand der Technik bekannten Ölhobel bei Höchstdrehzahl gekennzeichnet. Mit Bezugszeichen 58 ist die Temperaturspanne des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors bei Höchstdrehzahl gekennzeichnet. Wie aus dem Diagramm ersichtlich, variiert die Temperaturspanne sowohl bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Verbrennungsmotor als auch bei dem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor bei niedrigeren Drehzahlen. Bei dem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor ergibt sich jedoch insgesamt eine kleinere Temperaturspanne und ein geringeres Temperaturniveau. Der aus dem Stand der Technik bekannte Verbrennungsmotor erreicht den kritischen Temperaturbereich 54 an einigen Stellen bereits ab ca. 4800 Umdrehungen pro Minute. Durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Ölhobels können die Höchsttemperaturen des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors um ca. 20 °C bei Spitzendrehzahlen und um ca. 25 °C bei Drehzahlen zwischen 4500 und 5000 Umdrehungen pro Minute gesenkt werden. Dadurch bleiben die Temperaturen in dem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor selbst bei Höchstdrehzahl unterhalb des kritischen Temperaturbereichs 54. Die Erfindung führt also ohne nennenswerte Erhöhung der Herstellungskosten zu einer deutlich besseren Kühlung, insbesondere der Unterseite des Kolbens. Dies ermöglicht es, bislang nicht aufgeladene Verbrennungsmotoren aufzuladen oder die bereits vorhandene Aufladung zu erhöhen, ohne dass hierfür zusätzliche Kühlmaßnahmen ergriffen werden müssen.
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Analog zu den Temperaturlinien 50 sind in dem Diagramm in 4 Temperaturlinien 52 an verschiedenen Stellen von Ringnut und Nabe der beiden Verbrennungsmotoren dargestellt. Mit Bezugszeichen 60 ist die Temperaturspanne des Verbrennungsmotors mit dem aus dem Stand der Technik bekannten Ölhobel bei Höchstdrehzahl gekennzeichnet. Mit Bezugszeichen 62 ist die Temperaturspanne des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors bei Höchstdrehzahl gekennzeichnet. Auch bei diesen Messungen ergibt sich bei dem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor eine kleinere Temperaturspanne und ein niedrigeres Temperaturniveau. Über einen großen Drehzahlbereich von ca. 3000 Umdrehungen pro Minute bis zur Höchstdrehzahl ergeben sich Höchsttemperaturen, die um 20-35 °C niedriger sind als die Höchsttemperaturen im bekannten Verbrennungsmotor.
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Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Es obliegt dem Fachmann, die in den Ansprüchen und der Beschreibung genannten technischen Merkmale im Rahmen seines Fachwissens zu variieren und kombinieren.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Ölhobel
- 12
- flächiges Element / Boden
- 14
- Trennstege
- 16
- Kurbelräume
- 18
- Schlitze
- 20
- Mittelachse
- 22
- Kurbelwelle
- 24
- Verbrennungsmotor
- 26
- Hubkolbenzylinder (Zylinder)
- 28
- Kolben
- 30
- Kurbelwelle
- 32
- Pleuelstangen
- 34
- Pfeil zur Angabe der Drehrichtung
- 36
- Ölwanne
- 38
- Schrauben
- 40
- Befestigungslaschen
- 42
- Durchgangsöffnungen
- 44
- Motorgehäuse
- 50
- Temperaturlinien (Kolben)
- 52
- Temperaturlinien (Ringnut und Nabe)
- 54
- kritischer Temperaturbereich
- 56
- Temperaturspanne Kolben (Verbrennungsmotor Stand der Technik)
- 58
- Temperaturspanne Kolben (erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor)
- 60
- Temperaturspanne Ringnut und Nabe (Verbrennungsmotor Stand der Technik)
- 62
- Temperaturspanne Ringnut und Nabe (erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor)
